基于故障樹的工程作業(yè)船與海上平臺(tái)碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

鐘漢明　薛杰

【摘 要】 針對(duì)工程作業(yè)船舶與海上平臺(tái)存在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)價(jià)和總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹水上交通領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)基本流程，提出基于故障樹的作業(yè)船舶與海洋油氣生產(chǎn)平臺(tái)碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，通過計(jì)算最小割集的發(fā)生概率，預(yù)測(cè)碰撞概率。該模型對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供一種新的解決思路，具有潛在的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】 海上平臺(tái)；海洋工程；工程作業(yè)船舶；碰撞風(fēng)險(xiǎn)；故障樹

0 引 言

隨著石油、天然氣、漁業(yè)、風(fēng)能等海洋資源開發(fā)活動(dòng)的不斷開展，各種海上離岸建筑也在不斷地建設(shè)并投入使用，其中最為典型的是海洋油氣生產(chǎn)平臺(tái)和鉆井平臺(tái)。

挪威船級(jí)社發(fā)布的《全球海上事故數(shù)據(jù)庫(kù)》統(tǒng)計(jì)資料顯示，1970―2002年，全球共發(fā)生船舶與平臺(tái)碰撞事故465起，其中，工程作業(yè)船舶在平臺(tái)作業(yè)、演習(xí)、生產(chǎn)和維修過程中發(fā)生的事故189起，占事故總數(shù)的40.65%。此外，為了進(jìn)一步尋找碰撞原因，根據(jù)英國(guó)能源局關(guān)于船舶與平臺(tái)碰撞數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，1975―2001年10月31日期間共發(fā)生了557起事故，其中549起是由平臺(tái)與工作船舶之間發(fā)生碰撞造成的。從上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，工程作業(yè)船舶是船舶與海上平臺(tái)發(fā)生碰撞的主要肇事船型。

海上油氣開發(fā)平臺(tái)在建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的過程中，離不開各類工程作業(yè)船舶，而工程作業(yè)船舶在駛近海上平臺(tái)，以及在海上平臺(tái)附近作業(yè)的過程中，受到自然環(huán)境、人員操作、管理等因素的影響，存在與工程結(jié)構(gòu)碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。如何對(duì)此類風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估，并提出有針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)控制方案，將風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受范圍內(nèi)，成為海洋工程領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵問題之一。

針對(duì)這一問題，本文引入故障樹的基本原理，構(gòu)建作業(yè)船舶與海上平臺(tái)碰撞概率預(yù)測(cè)故障樹模型，將該問題分解為駛近過程中和作業(yè)過程中發(fā)生碰撞概率預(yù)測(cè)兩個(gè)子問題，并逐步分解為若干基本事件的組合，將復(fù)雜問題逐步簡(jiǎn)化成多個(gè)簡(jiǎn)單問題，從而對(duì)碰撞概率進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前該領(lǐng)域的研究大多集中在從工程作業(yè)船舶和海上平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全方面，利用船舶動(dòng)力學(xué)原理[1]、海洋結(jié)構(gòu)的有限元建模與仿真等方法[2]，研究結(jié)構(gòu)的安全性，為海上平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，有關(guān)工程作業(yè)船舶與海上平臺(tái)碰撞概率估算的研究較少。風(fēng)險(xiǎn)的大小是通過不利事件發(fā)生的可能性與事故后果的嚴(yán)重程度之乘積來衡量的，因此，估算碰撞的概率同樣十分重要。

關(guān)于碰撞概率評(píng)估問題，最為常用的是船舶交通流理論[3]：根據(jù)離岸建筑物周圍交通流的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)特征，獲取船舶處于碰撞航向的概率，進(jìn)而研究在不同海況下避碰失效的概率，將二者綜合即可求得碰撞概率。該理論的一個(gè)重要前提是船舶交通流具有明顯的統(tǒng)計(jì)特征，然而對(duì)于工程作業(yè)船舶來說，無論是船舶數(shù)量和工作頻率，都不具備該特征，因此，需要一種全新的解決思路。例如，DAI等[4]提出一種服務(wù)船舶與海上風(fēng)機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)基本框架，綜合運(yùn)用故障樹（Fault Tree）、事件樹（Event Tree）、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（Bayesian Networks）等研究船舶與風(fēng)機(jī)的碰撞概率，然而該研究成果是否適用于其他類型的海洋平臺(tái)需要進(jìn)一步論證。針對(duì)以上問題，本文在分析工程作業(yè)船舶航行和作業(yè)的基本特征的基礎(chǔ)上，提出一種通用的、并且能夠適用于工程作業(yè)船舶與海上平臺(tái)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基本模型。

2 水上交通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)基本流程

不同領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)通常都會(huì)遵循某種固定的步驟，而在水上交通領(lǐng)域，最為常用的是國(guó)際海事組織（IMO）提出的綜合安全評(píng)估（Formal Safety Assessment，F(xiàn)SA）。FSA已被公認(rèn)為是目前水上安全評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)化程序，其基本步驟見圖1。本文風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架主要解決步驟1和2中的相關(guān)問題。

3 工程作業(yè)船舶與海上平臺(tái)碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

3.1 故障樹

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）將某個(gè)不利事件的發(fā)生看作是由一系列簡(jiǎn)單事件發(fā)生共同作用造成的。將事故看作一個(gè)較為復(fù)雜的頂層復(fù)合事件，利用“與”“或”來描述簡(jiǎn)單事件之間的邏輯關(guān)系，再進(jìn)一步根據(jù)預(yù)測(cè)簡(jiǎn)單事件發(fā)生的概率計(jì)算頂層事件發(fā)生的概率?！芭c”門和“或”門的基本原理見圖2和圖3，其中：ET（TOP EVENT）為頂層復(fù)合事件；E1（EVENT 1）和E2（EVENT 2）為基本事件，其發(fā)生概率可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)或者相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业闹饔^判斷獲得。

ET是否發(fā)生由事件E1和E2共同決定。對(duì)于“與”門來說，只有E1和E2同時(shí)發(fā)生，ET才會(huì)發(fā)生。因此，ET發(fā)生的概率為

=（1）

式中：表示頂層事件ET發(fā)生的概率；表示基本事件Ei發(fā)生的概率。

對(duì)于“或”門來說，兩個(gè)底層事件只要有一個(gè)發(fā)生，ET就一定發(fā)生；因此，其發(fā)生概率為

=1- （2）

當(dāng)頂層事件較為復(fù)雜時(shí)，可以將其分解為多個(gè)層級(jí)，且一個(gè)“與”和“或”門中可以存在多個(gè)子事件。假設(shè)故障樹中有n個(gè)底事件 ，C為某些底事件的集合，當(dāng)其中全部底事件都發(fā)生時(shí)，頂事件必然發(fā)生，則C為故障樹的1個(gè)割集。若C是1個(gè)割集，且任意去掉其中1個(gè)底事件后就不再是割集，則C為最小割集。只要計(jì)算出所有最小割集中事件的發(fā)生概率，就可以求取頂層事件的發(fā)生概率。

3.2 工程作業(yè)船舶與海上平臺(tái)碰撞故障樹模型

利用故障樹的基本模型，對(duì)工程作業(yè)船舶與海上平臺(tái)碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行建模研究。在建模前，應(yīng)先對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行危險(xiǎn)源識(shí)別，即找出導(dǎo)致碰撞的各個(gè)環(huán)節(jié)中的主要因素。工程作業(yè)船舶與海上平臺(tái)的碰撞事故可能發(fā)生在船舶駛近平臺(tái)過程中，也可能發(fā)生于船舶在平臺(tái)附近作業(yè)的過程中，這兩種碰撞類型的發(fā)生機(jī)理存在較大差異，其影響因素也有所區(qū)別。按照以上思路，構(gòu)建工程作業(yè)船舶與海上平臺(tái)碰撞發(fā)生概率的故障樹模型（見圖4），各個(gè)節(jié)點(diǎn)表示的意義和類型見表1，其中所有節(jié)點(diǎn)都存在是（Y）和否（N）兩種狀態(tài)。

由圖4可知碰撞事故可能發(fā)生的路徑，頂層事件是否發(fā)生由航行中是否發(fā)生碰撞和作業(yè)中是否發(fā)生碰撞決定。航行過程中的碰撞事故進(jìn)一步取決于船舶是否處于碰撞航向以及監(jiān)控設(shè)備是否檢測(cè)到這一危險(xiǎn)態(tài)勢(shì)，后者為基本事件，而前者則進(jìn)一步由瞭望失誤和避碰失誤兩個(gè)基本事件共同決定。作業(yè)過程中的碰撞事故由船舶是否失控和是否遭遇大風(fēng)浪兩個(gè)因素決定，而船舶失控則由推進(jìn)器故障和舵機(jī)故障兩個(gè)基本事件決定。

根據(jù)故障樹中的最小割集的概念，以及工程作業(yè)船舶與海上平臺(tái)碰撞故障樹模型中的基本邏輯關(guān)系，可以得到最小割集{x6，x5}，{x7，x5}，{x10}，{x11}，{x9}。

通過求取在每個(gè)最小割集中基本事件同時(shí)發(fā)生的概率，則所有割集發(fā)生的概率之和記為頂層復(fù)合事件的發(fā)生概率，即

Px1=Px6 €？Px5 + Px7 €？Px5 + Px10 + Px11 + Px9

（3）

從以上的模型可以看出，故障樹模型的最大優(yōu)勢(shì)是可以將一個(gè)復(fù)雜事件發(fā)生概率的預(yù)測(cè)問題進(jìn)行逐步分解，轉(zhuǎn)化成若干個(gè)基本事件的組合，通過計(jì)算基本事件組合發(fā)生的概率獲取復(fù)雜事件的發(fā)生概率。需要說明的是，式（3）中基本事件的發(fā)生概率因受到具體的海洋工程特征、作業(yè)船舶性能、操作人員技能和素質(zhì)等因素的影響，需要具體問題具體分析。

4 結(jié) 語

本文在水上交通FSA的基本框架內(nèi)，利用故障樹的基本原理，研究了作業(yè)船舶與離岸建筑物的碰撞概率計(jì)算模型，利用故障樹的“與”和“或”兩個(gè)基本邏輯關(guān)系，將碰撞事件逐步分解為若干個(gè)能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)或者相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业闹饔^知識(shí)獲取發(fā)生概率的基本事件，最后根據(jù)故障樹結(jié)構(gòu)獲取的最小割集，集合計(jì)算碰撞發(fā)生的概率。該模型不同于傳統(tǒng)的基于交通流的碰撞概率預(yù)測(cè)模型，其為碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供一種全新的思路。

參考文獻(xiàn)：

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